La propulsion par plasma est un sujet qui intéresse vivement les astronomes et les agences spatiales. En tant que technologie très avancée qui offre une efficacité énergétique considérable par rapport aux fusées chimiques conventionnelles, elle est actuellement utilisée dans tout, depuis les engins spatiaux et les satellites jusqu'aux missions d'exploration. Et pour l'avenir, le plasma qui coule est également à l'étude pour des concepts de propulsion plus avancés, ainsi que pour la fusion confinée magnétique.
Cependant, un problème commun avec la propulsion plasma est le fait qu'elle repose sur ce qui est connu comme un «neutralisant». Cet instrument, qui permet aux vaisseaux spatiaux de rester neutres en termes de charge, est une consommation d'énergie supplémentaire. Heureusement, une équipe de chercheurs de l'Université de York et de l'École Polytechnique étudie une conception de propulseur à plasma qui éliminerait complètement un neutralisant.
Une étude détaillant les résultats de leurs recherches - intitulée «Dynamique de propagation transitoire des plasmas circulants accélérés par les champs électriques radiofréquences» - a été publiée plus tôt ce mois-ci dans Physique des plasmas - une revue publiée par l'American Institute of Physics. Dirigés par le Dr James Dendrick, physicien du York Plasma Institute de l'Université de York, ils présentent un concept de propulseur à plasma autorégulé.
Fondamentalement, les systèmes de propulsion au plasma dépendent de l'énergie électrique pour ioniser le gaz propulseur et le transformer en plasma (c'est-à-dire des électrons chargés négativement et des ions chargés positivement). Ces ions et électrons sont ensuite accélérés par des buses de moteur pour générer une poussée et propulser un vaisseau spatial. Les exemples incluent le propulseur à effet quadrillé et à effet Hall, qui sont tous deux des technologies de propulsion établies.
Le propulseur à ions Gridden a été testé pour la première fois dans les années 60 et 70 dans le cadre du programme Space Electric Rocket Test (SERT). Depuis lors, il a été utilisé par la NASA Aube mission, qui explore actuellement Cérès dans la ceinture d'astéroïdes principale. Et à l'avenir, l'ESA et la JAXA prévoient d'utiliser des propulseurs en fer quadrillé pour propulser leur mission BepiColombo vers Mercure.
De même, les propulseurs à effet Hall ont été étudiés depuis les années 1960 par la NASA et les programmes spatiaux soviétiques. Ils ont été utilisés pour la première fois dans le cadre de la mission SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology-1) de l’ESA. Cette mission, qui a été lancée en 2003 et s'est écrasée dans la surface lunaire trois ans plus tard, a été la première mission de l'ESA à se rendre sur la Lune.
Comme indiqué, les engins spatiaux qui utilisent ces propulseurs ont tous besoin d'un neutralisant pour s'assurer qu'ils restent «à charge neutre». Cela est nécessaire car les propulseurs à plasma conventionnels génèrent plus de particules chargées positivement que celles chargées négativement. À ce titre, les neutralisants injectent des électrons (qui portent une charge négative) afin de maintenir l'équilibre entre les ions positifs et négatifs.
Comme vous pouvez vous en douter, ces électrons sont générés par les systèmes d'alimentation électrique du vaisseau spatial, ce qui signifie que le neutralisant est un drain supplémentaire sur la puissance. L'ajout de ce composant signifie également que le système de propulsion lui-même devra être plus grand et plus lourd. Pour résoudre ce problème, l'équipe de York / École Polytechnique a proposé une conception pour un propulseur à plasma qui peut rester neutre en charge par lui-même.
Connu sous le nom de moteur Neptune, ce concept a été démontré pour la première fois en 2014 par Dmytro Rafalskyi et Ane Aanesland, deux chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas (LPP) de l'École polytechnique et co-auteurs du récent article. Comme ils l'ont démontré, le concept s'appuie sur la technologie utilisée pour créer des propulseurs à ions quadrillés, mais parvient à générer des gaz d'échappement qui contiennent des quantités comparables d'ions chargés positivement et négativement.
Comme ils l'expliquent au cours de leur étude:
«Sa conception est basée sur le principe de l'accélération du plasma, selon laquelle l'extraction coïncidente d'ions et d'électrons est obtenue en appliquant un champ électrique oscillant à l'optique d'accélération maillée. Dans les propulseurs à ions quadrillés traditionnels, les ions sont accélérés à l'aide d'une source de tension désignée pour appliquer un champ électrique à courant continu (cc) entre les grilles d'extraction. Dans ce travail, une tension d'auto-polarisation en courant continu est formée lorsque la puissance radiofréquence (RF) est couplée aux grilles d'extraction en raison de la différence dans la zone des surfaces alimentées et mises à la terre en contact avec le plasma. »
En bref, le propulseur crée un échappement qui est effectivement à charge neutre grâce à l'application d'ondes radio. Cela a le même effet d'ajouter un champ électrique à la poussée et supprime efficacement le besoin d'un neutralisant. Comme leur étude l'a révélé, le propulseur Neptune est également capable de générer une poussée comparable à un propulseur ionique conventionnel.
Pour faire avancer la technologie encore plus loin, ils se sont associés à James Dedrick et Andrew Gibson du York Plasma Institute pour étudier le fonctionnement du propulseur dans différentes conditions. Avec Dedrick et Gibson à bord, ils ont commencé à étudier comment le faisceau de plasma pourrait interagir avec l'espace et si cela affecterait sa charge équilibrée.
Ils ont découvert que le faisceau d'échappement du moteur jouait un grand rôle dans le maintien du faisceau neutre, où la propagation des électrons après leur introduction dans les grilles d'extraction agit pour compenser la charge d'espace dans le faisceau de plasma. Comme ils le disent dans leur étude:
«[P] La spectroscopie d'émission optique résolue par les hases a été appliquée en combinaison avec des mesures électriques (fonctions de distribution d'énergie ionique et électronique, courants ioniques et électroniques et potentiel de faisceau) pour étudier la propagation transitoire des électrons énergétiques dans un plasma en circulation généré par un propulseur à plasma auto-polarisé rf. Les résultats suggèrent que la propagation des électrons pendant l'intervalle de l'effondrement de la gaine au niveau des grilles d'extraction agit pour compenser la charge d'espace dans le faisceau de plasma. »
Naturellement, ils soulignent également que des tests supplémentaires seront nécessaires avant qu'un propulseur Neptune puisse être utilisé. Mais les résultats sont encourageants, car ils offrent la possibilité de propulseurs ioniques plus légers et plus petits, ce qui permettrait des engins spatiaux encore plus compacts et économes en énergie. Pour les agences spatiales qui cherchent à explorer le système solaire (et au-delà) avec un budget limité, une telle technologie n'est rien sinon souhaitable!
